光泵磁共振实验报告

1光泵磁共振实验物理系郭莹一、引言磁共振波谱技术是利用物质的共振跃迁来研究原子微观结构的有效方法。当测量所涉及的能级间距小于kT时,热平衡条件下，能级间的粒子布居数差别很小；若样品又是气态原子，波谱技术也面临如何提高共振信号强度的难题。A.Kastler等人提出用圆偏振光激发气态原子以实现原子在所研究能级间的布居数差（偏极化），并以泵浦光的强度变化来探测射频场激发的原子磁共振，巧妙地用频率在1014Hz量级的光信号的变化来探测共振频率在106Hz量级的跃迁过程，大大提高了探测灵敏度。目前，光泵磁共振方法基础研究中有广泛用。因为它使弱信号的检测方便易行，还大大促进了相关计量技术（如弱磁场的测量等）的发展。二、实验原理1、精细结构，超精细结构以及塞曼效应精细结构是指由于电子的轨道角动量与自旋角动量耦合（L-S耦合）产生的能级分裂，由量子数J来标记；超精细结构是指电子总角动量与核自旋角动量耦合产生的能级分裂，由量子数F来标记；当存在外加磁场B时，原子总角动量产生的磁矩与磁场存在相互作用，相互作用能的差距又产生能级分裂。称为塞曼分裂能级，相邻塞曼能级之间的能级差与B成正比。2、产生粒子数偏极化2.1为了更好地观察粒子的各种微观结构，比如上述塞曼能级。我们是利用能级之间的跃迁来了解关于微观结构的信息。但是当B~10-5T,E=gFBB≪kT2(T~300K)…(1)根据波尔兹曼分布，处于不同塞曼子能级上的原子近似平均分布。虽然物质系统的粒子可能是在不断地跃迁，但是我们并不能从宏观上观察到一个定向的跃迁信号。因此，我们需要首先把不同能级上的粒子数的差变大，即增大粒子布局数之差，以产生粒子数偏极化。2.2利用光泵产生粒子数偏极化实验所用的𝑅𝑏85𝑅𝑏87的能级5𝑆21/2，5𝑃21/2的子塞曼能级的对应的量子数𝑀𝐹都是由-2到2。在由5𝑆21/2致5𝑃21/2的跃迁中，若用左旋圆偏振光照射，则遵守跃迁定则ΔF=0,±1；Δ𝑀𝐹=1。5𝑆21/2中𝑀𝐹=2的能级就无法跃迁，而在由5𝑃21/2致2S1/2的跃迁中则遵守跃迁定则ΔF=0,±1；Δ𝑀𝐹=0，±1，各子能级之间的跃迁都是可以的。经过多次上下跃迁，5𝑆21/2中𝑀𝐹=2能级上的粒子数有增无减，产生粒子数偏极化。3、光抽运上述利用光泵产生粒子数偏极化的过程称为光抽运过程。当粒子数偏极化饱和，光抽运停止，光子不再被吸收，透过样品的光强增强。因此光源在这里不仅起到使粒子数偏极化的作用，还起到传递信息的作用。4、塞曼子能级之间的磁共振在垂直于产生塞曼能级分裂的磁场B的方面加一个频率为ν的射频磁场当νB之间满足hν=𝑔𝐹𝜇𝐵𝐵…(2)塞曼子能级之间产生感应跃迁，成为磁共振。跃迁遵守选择定则：ΔF=0；Δ𝑀𝐹=0，±1；于是铷原子将从𝑀𝐹=2跃迁到各子能级上，铷原子的原子分部的偏极化减弱，光抽运又开始，光的强度有减弱直到重新达到极化饱和。光抽运的时间相对于射频场的周期非常短。当射频场经过一个周期又回到hν=𝑔𝐹𝜇𝐵𝐵条件时，共振又开始。粒子偏极化又被打乱。于是形成循环。三、实验装置3DH807A光磁共振实验装置（如图1），XJ4453A数字储存示波器，XJ1631射频信号发生器其中铷光谱灯提供光源，透镜1是为了使光变为平行光，偏振片与1/4波片的作用是为了产生圆偏振光。水平磁场线圈也是扫场线圈，产生水平方向的磁场或扫场。垂直磁场线圈是产生垂直方向的磁场。透镜2是为了使光集中在光电池，更好地收集光信号。恒温槽使样品温度不至于过大导致原子间以及原子与器壁碰撞增加，原子分布的偏极化减小，也不至于温度过低导致铷蒸气原子数不足，使信号幅度变小。四、实验结果由于实验装置的原因，下面的图都是经过垂直翻转的照片1、在已调整地磁场方向与扫场或水平场平行的情况下，经过观察和测量得到在水平电流为0.112A，垂直电流为0.057A时，如图输出信号的波形最为对称。并且发现水平电流维持0.112A时，垂直电流在由小增大的过程中，波形先是由较不对称变为较对称，又由对称变为不对称，波的幅度也是先减小后增大再减小。说明在垂直电流为0.057A时，垂直场正好与地磁场垂直分量相抵消。因此，之后提到的地磁场都是去除了垂直分量的水平分量。利用B=16𝜋53/2𝑁𝑟𝐼×10−3Gs…(3)算出地磁场垂直分量为0.1675Gs图1光泵磁共振实验装置图图2波形对称的输出信号42、光抽运信号及变化这里由于地磁场水平分量的方向始终不改变，定为正向。2．1、扫场为方波时，水平电流增大的过程观察到的输出的光强信号变化加在样品上的总磁场的由地磁场和扫场及与之反向的水平场合成。图3指示的是B=0的水平线，扫场方波与结合起来可代表总场。水平场和地磁场的综合作用，提供的是扫场整体的“纵坐标”。当水平场不断变大时，将扫场整体的“纵坐标”“拉”得越来越低。a图可以解释为水平场较弱，所以总磁场总是沿地磁场方向。即a图所示方波整个在B=0线上方。故而扫场的作用只是改变了磁场的大小，并没有改变方向。即只改变了塞曼能级之间的能量差，所以没有引起明显的光抽运。b图，水平场增大到使扫场方波的低电平“拉低”到B=0。即在扫场方波低电平处总场为0。从B=0状态到高电平的B0(即总磁场为沿地磁场方向的特定值),发生了塞曼能级的分裂，光抽运进行，显示在图中既是随着方波高电平的到来，光强信号直线减弱。而之后光抽运达到饱和，光强信号又恢复到原来的值。当从高电平回到低电平，B=0发生了塞曼能级的简并，也不再吸收光子，故而光强一直保持稳定，直到下一个高电平的到来。图3扫场为方波水平电流增大输出信号变化过程图·cabfed5d图，B=0大致位于方波半高处，此时，输出光信号相邻的波的形状以及幅度大致相同。输入方波由高电平变为低电平时，总磁场也由B0变为-B0。虽然磁场大小没变化，但是磁场方向的变化导致了塞曼能级的重新分布，并且之间经过了总磁场为0，塞曼能级简并的过程，所以发生了光抽运。但是可能由于磁场大小的对称，光抽运的程度大致相同，故而波的幅度和形状大致相同。c图，B=0位于方波半高与低电平之间，低电平与高电平对应总磁场方向相反，大小不同，发生两次不同的抽运。e图与b图对称，由于B=0的位置一个是在高电平一个是在低电平，所以光抽运进行的位置正好错位了半个方波。总结：只有在磁场由非零变为零或磁场反向时，即磁场要过零，才会在输出信号中体现出光抽运过程。且由于在图三中可以明显观察到出现光抽运信号时，光强是陡然下降的，而后又相对平缓地上升，说明塞曼能级的分裂在磁场变为0瞬间完成，而达到饱和时有一定的弛豫时间。2.2、扫场为三角波时，水平电流增大的过程观察到的输出的光强信号变化cabfed图4扫场为三角波水平电流增大输出信号变化过程图·6与方波的情况类似，B=0的水平线的移动如图4，在总场过零处会产生光抽运信号。而与方波明显不同的是，注意到b,e,d图光信号下降的那条线不再像图1中是比较陡的直线，而是比较平缓的曲线。可能是因为方波的磁场变化是不连续的，而三角波的磁场改变是连续的。下面会提到，磁场的变化会导致光吸收强度的变化。而三角波的磁场连续变化，则光吸收强度也连续变化。所以，我们在三角波光信号中看到的下降的曲线是平缓的。此外，关于光抽运信号，还有一些现象。如图3c、d，图4c中用红色圆框圈住的部分，我们可以观察到，左边光抽运信号的饱和值明显比右边的小。特别是图3c，左边光抽运的饱和值甚至比右边光抽运信号的最低值还要小，所以在图中从左大右显示出输出信号突然增大。光抽运信号的饱和值的不同与外磁场的大小有关，且查阅资料得外磁场越大，光吸收强度越小，即透过的光信号越强[1]。但结合图3c,发现并不符合，如果B=0水平线位置与输入信号，输出信号相对是正确的，那么左边磁场的绝对值是比右边要大的，然而我们也可以观察出左边的光信号是更弱的，光吸收强度更大。我们是通过扫场，地磁场方向与水平场方向反向，水平场不断变大来确定了B=0水平线的位置及移动，这应该是没错的。所以是输出信号与输入信号在图中有半个波形的相对位移造成的。那是由于我们对图片整个进行了垂直翻转，如果只翻转输出信号就不会出现这个问题。另外，如图3a，图4a用黄色三角圈住的部分，按照上述分析，此时磁场应该是不过零但接近于零，也观察到了类似光抽运的小信号。3、观察共振观察共振时我们采用了峰谷值为580mv的三角波。7由（2）式hν=𝑔𝐹𝜇𝐵𝐵可知，ν一定时，也有一个确定的B使得塞曼共振发生。采用三角波作为扫场，水平场确定时，存在使得出现与三角波的谷以及峰相对应的共振峰的频率ν𝑎及ν𝑏。如图5图5为水平电流为0.250A,水平场，扫场，地磁场均同向时，射频场频率分别为852KHZ,以及720KHZ对应的共振波形图。a共振峰对应着输入信号的波谷，即hν𝑎=𝑔𝐹𝜇𝐵(𝐵水+𝐵谷+𝐵//)…(4),其中𝐵水代表水平场电流𝐵谷代表三角波的波谷值,𝐵//表示地磁场的水平分量。b共振峰对应着波峰即：hν𝑏=𝑔𝐹𝜇𝐵(𝐵水+𝐵峰+𝐵//)…(5)从0(𝐵水+𝐵谷+𝐵//)(𝐵水+𝐵峰+𝐵//)可以得出ν𝑎小于ν𝑏，与实验得到的数据852,720不相符。这与之前2中论述的我垂直翻转整张图片导致输出信号与输入信号之间有半个波的相对位移相互印证，其实图4a的共振峰应当是对着波峰的，而b应当是对应着波谷的。之后的数据也是经过矫正之后的数据。为了测量𝑔𝐹，地磁场水平分量𝐵//以及三角波幅值𝐵峰,𝐵谷。在不同条件下测量共振频率ν1,ν2,ν3图·5分别与扫场波的波谷及波峰对应的共振峰ab8测量条件对应公式𝐵水扫场𝐵扫𝐵//都平行hν1=𝑔𝐹𝜇𝐵(𝐵水+𝐵扫+𝐵//)…(6)𝐵水与𝐵扫𝐵//反平行−hν2=𝑔𝐹𝜇𝐵(−𝐵水+𝐵扫+𝐵//)…(7)𝐵水𝐵扫与𝐵//反平行−hν3=𝑔𝐹𝜇𝐵(−𝐵水−𝐵扫+𝐵//)…(8)由（5）（6）（7）式分别联立可得𝑔𝐹=ℎ𝜇𝐵𝐵水ν1+ν22…(9);𝐵//=ℎ𝑔𝐹𝜇𝐵ν1−ν32…(10);𝐵扫=ℎ𝑔𝐹𝜇𝐵ν3−ν22…(11)（6）式左边加负号可能是因为实验中水平电流设定为0.250A及以上，使得水平场大小大于扫场与平行地磁场水平分量之和。要使得共振现象易观察和区分，最好是共振时𝐵扫=𝐵峰或𝐵谷，这样，示波器上显示的共振峰所对应的就是输入信号波的波峰或波谷。所以，在测量ν1时，ν1可以是ν𝑎也可以是ν𝑏,即可以记录下对应三角波波谷的共振峰，也可以记录下对应三角波波峰的共振峰。而相对应的，ν2可以是ν𝑎′也可以是ν𝑏′，ν3可以是ν𝑎′′也可以是ν𝑏′′。另外，由于样品中𝑅𝑏85和𝑅𝑏87都存在，前者的𝑔𝐹为1/3，后者为1/2，所以在实验中，确定一个水平电流，扫场为三角波，寻找ν𝑎,ν𝑏或者ν𝑎′,ν𝑏′时都能找到两个值，且两个值之间为1.5倍关系。下表已经将𝑅𝑏85和𝑅𝑏87实验所得的ν1,ν2值分开。其中黄色标注的为ν𝑎,ν𝑎′,ν𝑎′′，即共振峰与输入信号波谷对应;蓝色标注为水平电流I/A72036251110820.32722090.22401490.16085122864310790.32632080.22294150.44594057873015180.32792100.22511520.163107044585915150.32732110.22614140.444115679794719530.32812090.22401500.1611287667107419540.32832130.22834070.436108454376716270.49203170.22652240.160128034396716230.49083130.22366240.4461408866109522740.49123130.2236